CN105816182A - 一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，先使用Kinect传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据，然后提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标，再构建头部及躯干特征向量，计算颈椎活动角度，然后显示颈椎活动角度，最后记录测量数据，本发明可以快速、精确、远距离测量人体颈椎活动度，具有效率高、操作简单、可靠性好的优点。

Description

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法

技术领域

本发明涉及医学信息智能处理技术领域，具体涉及一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法。

背景技术

在医学上，颈椎活动度的变化对反映颈椎功能具有十分重要的意义，颈椎活动度的测量方法大体上分为两种，一种是测量颈椎整体的活动度，另一种是测量单个椎体的屈伸活动度。在临床意义上讲测量单个椎体的活动度更具有医学指导意义，但在临床上椎节间的测量费时、费力、操作复杂，而颈椎整体活动度的测量较为简单，因此颈椎整体活动度的测量更为适合临床医师对颈椎病情的初期判定。

传统的颈椎整体活动度测量仪器和方法有多功能颈椎活动度测量仪、电动测角仪、改良方盘量角仪、颈椎动力性摄片测量法、皮尺测量、目测。多功能颈椎活动度测量仪由颈椎活动度测量器、三维定位头架和二维定位装置构成。电动测角仪是一种由五个电动测角仪构成类似头盔的装置。改良方盘量角仪的中央是一个有圆形分角刻度的正方形刻度盘，其底部有左右对称的从0度～180度的刻度，中心安装一个可旋转的指针。颈椎动力性摄片测量法即对每一位受检者摄颈椎过屈和过伸位X线片,将过屈和过伸位的测量绝对值相加即为颈椎屈伸活动度。皮尺测量方法中胸骨切迹与下颌(屈和伸)，肩峰到耳垂下缘(侧弯)，肩峰到下颌(旋转)的距离，即为所测的距离。目测即医师根据经验目测出颈椎活动度的大概范围。总体来讲，以上测量仪器和测量方法在应用中均有明显的不足，主要反映为测量效率低，费时费力，可操作性差，即使是罗盘测量仪也不能同时实现颈椎活动度多指标的精确同步测量；更为关键的是以上方法对颈椎活动度测量的重复性和可靠性差，十分容易受被测人员或操作人员的影响而产生测量误差，无法满足医生的临床应用需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，可以快速、精确、远距离测量人体颈椎活动度，具有效率高、操作简单、可靠性好的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，包括以下步骤：

1)、使用Kinect传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据：

1.1)、Kinect传感器通过自身的红外发射器向Kinect视场内发射激光散斑，通过自身的CMOS红外摄像机记录空间中的激光散斑图案，结合原始散斑图案，对视场内的空间深度进行编码，产生Kinect传感器视场空间的深度数据；通过彩色摄像机记录Kinect传感器视场空间的彩色数据；

1.2)、通过KinectPrimeSense芯片组获取深度数据和彩色数据，并通过USB接口将深度数据和彩色数据传送给计算机；

2)、提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标：

计算机调用与Kinect传感器相配套的NUI库中的面部识别和骨骼追踪功能，将步骤1)获得到的深度数据和彩色数据进一步处理，提取到被测量者4个面部特征点及4个骨骼关节点的三维坐标，4个面部特征点分别为左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点，4个骨骼关节点分别为脊柱点、肩部中心点、左肩点、右肩点，三维坐标分别为X、Y、Z三个方向，其中X是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面水平指向Kinect传感器的左端，Y是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面竖直指向Kinect传感器上方，Z是指以Kinect传感器中心为原点，垂直于Kinect传感器的摄像头平面指向Kinect传感器前方；

3、构建头部及躯干特征向量：

3.1)、构建头部特征向量：

在头部特征向量构建中，使用Kinect传感器在面部识别中所提取的左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点四个特征点标构成空间向量其中是由左眉梢左侧点指向右眉梢右侧点的空间向量，是由左下颔点与右下颔点的中点m指向左眉梢左侧点与右眉梢右侧点的中点e的空间向量；

3.2)、构建躯干特征向量：

在躯干特征向量构建中，使用Kinect传感器在骨骼追踪中所提取的脊柱点、肩部中心、左肩点、右肩点四个关节点构成空间向量 其中是由左肩点指向右肩点的空间向量，是由脊柱点指向肩部中点的空间向量；

4)、计算颈椎活动角度：

定义α为与的夹角，则α用来表示颈椎前屈后伸、左右侧屈两个活动度指标，α的计算公式如下：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{me}\stackrel{\→}{sc}}{\left|\stackrel{\→}{me}\right|\left|\stackrel{\→}{sc}\right|}$

定义β为与的夹角，β用来表示左右旋活动度指标，β的计算公式如下：

5)、显示颈椎活动角度：

利用步骤2)提取到的4个头部特征点和4个骨骼关节点的三维坐标进行判定，具体过程如下：

5.1)、当e点的Z坐标值小于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的前屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的Z坐标值大于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的后伸数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

5.2)、当e点的X坐标值小于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的左侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的X坐标值大于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的右侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

5.3)、当左眉梢左侧点的Z坐标值大于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的左旋数值，并在电脑屏幕上显示括瞬时值、峰峰值、平均值；当左眉梢左侧点的Z坐标值小于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的右旋数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

6)、记录测量数据：

用户根据测量需要选择记录上述步骤5)中的显示的各个测量指标的瞬时值、峰峰值、平均值测量数据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明所公开的颈椎活动度测量方法测量效率高，被测试者只需站在Kinect传感器视场内按照前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋六个项目活动一遍颈椎，即可测量出颈椎活动度。

2、本发明所公开的颈椎活动度测量方法的测量方式为非接触式测量，被测试者只需站在Kinect传感器视场内距离Kinect传感器1m-2m的距离自然地活动颈椎即可测量出颈椎活动度，避免了被测试者对传统穿戴式测量仪器的抵触心理。

3、本发明所公开的颈椎活动度测量方法测量方便、人为误差小，传统的需要医生动手操作的穿戴式仪器操作复杂，容易引起人为操作误差，而该测量方法则不存在此问题。

附图说明

图1为本发明的硬件组成图。

图2为本发明的头部及躯干向量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

根据不同被测试者的身高将Kinect传感器水平放置于1.5m高的测量台上，使其与面部处于同一水平线，距离人体1.5m，并给Kinect传感器供电，将Kinect传感器的USB接口插入计算机上。

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，包括以下步骤：

1)、使用Kinect传感器获取并传送其视场内深度数据和彩色数据，如图1所示：

1.1)、Kinect传感器通过自身的红外发射器向Kinect视场内发射激光散斑，通过自身的CMOS红外摄像机记录空间中的激光散斑图案，结合原始散斑图案，对视场内的空间深度进行编码，产生Kinect传感器视场空间的深度数据；通过彩色摄像机记录Kinect传感器视场空间的彩色数据；

1.2)、通过KinectPrimeSense芯片组获取深度数据和彩色数据，并通过USB接口将深度数据和彩色数据传送给计算机；

2)、提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标：

计算机调用与Kinect传感器相配套的NUI库中的面部识别和骨骼追踪功能，将步骤1)获得到的深度数据和彩色数据进一步处理，提取到被测量者4个面部特征点及4个骨骼关节点的三维坐标，4个面部特征点分别为左眉梢左侧点坐标(-50，1700，1450)、右眉梢右侧点坐标(50，1700，1450)、左下颔点坐标(-25，1580，1500)、右下颔点坐标(25，1580，1500)、4个骨骼关节点分别为脊柱点坐标(0，1080，1600)、肩部中心点坐标(0，1480，1600)、左肩点坐标(-185，1430，1600)、右肩点坐标(185，1430，1600)，三维坐标分别为X、Y、Z三个方向，其中其中X是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面水平指向Kinect传感器的左端，Y是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面竖直指向Kinect传感器上方，Z是指以Kinect传感器中心为原点，垂直于Kinect传感器的摄像头平面指向Kinect传感器前方；

3)、构建头部及躯干特征向量：

3.1)、构建头部特征向量：

如图2所示，在头部特征向量构建中，使用Kinect传感器在面部识别中所提取的左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点四个特征点标构成空间向量其中是由左眉梢左侧点指向右眉梢右侧点的空间向量，是由左下颔点与右下颔点的中点(定义为m点)指向左眉梢左侧点与右眉梢右侧点的中点(定义为e点)的空间向量；

3.2)、构建躯干特征向量：

在躯干特征向量构建中，使用Kinect传感器在骨骼追踪中所提取的脊柱点、肩部中心、左肩点、右肩点四个关节点构成空间向量 其中是由左肩点指向右肩点的空间向量，是由脊柱点指向肩部中点的空间向量；

4)、计算颈椎活动角度：

如附图2所示，定义α为与的夹角，则α用来表示颈椎前屈后伸、左右侧屈两个活动度指标，α的计算公式如下：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{me}\stackrel{\→}{sc}}{\left|\stackrel{\→}{me}\right|\left|\stackrel{\→}{sc}\right|}$

计算得出角度α＝22.6°，

定义β为与的夹角，β用来表示左右旋活动度指标，β的计算公式如下：

计算得出角度为β＝0°，

5)、显示颈椎活动角度：

利用步骤2)提取到的4个头部特征点和4个骨骼关节点的三维坐标进行判定，具体过程如下：

5.1)、当e点的Z坐标值(1450)小于m点的Z坐标值(1500)，α值表示颈椎的前屈数值22.6°，并在电脑屏幕上显示瞬时值22.6°、峰峰值22.6°、平均值22.6°；

5.2)、当e点的X坐标值等于m点的X坐标值，α值表示颈椎的左右侧屈数值相等为0°，并在电脑屏幕上显示瞬时值0°、峰峰值0°、平均值0°；

5.3)、当左眉梢左侧点的Z坐标值等于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的左右旋数值相等为0°，并在电脑屏幕上显示瞬时值0°、峰峰值0°、平均值0°；

6)、记录测量数据：

用户根据测量需要选择记录步骤5)中的显示的各个测量指标的瞬时值、峰峰值、平均值测量数据。

Claims (1)

1.一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、使用Kinect传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据：

1.1)、Kinect传感器通过自身的红外发射器向Kinect视场内发射激光散斑，通过自身的CMOS红外摄像机记录空间中的激光散斑图案，结合原始散斑图案，对视场内的空间深度进行编码，产生Kinect传感器视场空间的深度数据；通过彩色摄像机记录Kinect传感器视场空间的彩色数据；

1.2)、通过KinectPrimeSense芯片组获取深度数据和彩色数据，并通过USB接口将深度数据和彩色数据传送给计算机；

2)、提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标：

计算机调用与Kinect传感器相配套的NUI库中的面部识别和骨骼追踪功能，将步骤1)获得到的深度数据和彩色数据进一步处理，提取到被测量者4个面部特征点及4个骨骼关节点的三维坐标，4个面部特征点分别为左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点，4个骨骼关节点分别为脊柱点、肩部中心点、左肩点、右肩点，三维坐标分别为X、Y、Z三个方向，其中X是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面水平指向Kinect传感器的左端，Y是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面竖直指向Kinect传感器上方，Z是指以Kinect传感器中心为原点，垂直于Kinect传感器的摄像头平面指向Kinect传感器前方；

3)、构建头部及躯干特征向量：

3.1)、构建头部特征向量：

在头部特征向量构建中，使用Kinect传感器在面部识别中所提取的左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点四个特征点标构成空间向量其中是由左眉梢左侧点指向右眉梢右侧点的空间向量，是由左下颔点与右下颔点的中点m指向左眉梢左侧点与右眉梢右侧点的中点e的空间向量；

3.2)、构建躯干特征向量：

在躯干特征向量构建中，使用Kinect传感器在骨骼追踪中所提取的脊柱点、肩部中心、左肩点、右肩点四个关节点构成空间向量 其中是由左肩点指向右肩点的空间向量，是由脊柱点指向肩部中点的空间向量；

4)、计算颈椎活动角度：

定义α为与的夹角，则α用来表示颈椎前屈后伸、左右侧屈两个活动度指标，α的计算公式如下：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{me}\stackrel{\→}{sc}}{\left|\stackrel{\→}{me}\right|\left|\stackrel{\→}{sc}\right|}$

定义β为与的夹角，β用来表示左右旋活动度指标，β的计算公式如下：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\frac{\stackrel{\→}{lre}\stackrel{\→}{lrs}}{\left|\stackrel{\→}{lre}\right|\left|\stackrel{\→}{lrs}\right|}$

5)、显示颈椎活动角度：

利用步骤2)提取到的4个头部特征点和4个骨骼关节点的三维坐标进行判定，具体过程如下：

5.1)、当e点的Z坐标值小于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的前屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的Z坐标值大于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的后伸数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

5.2)、当e点的X坐标值小于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的左侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的X坐标值大于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的右侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

5.3)、当左眉梢左侧点的Z坐标值大于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的左旋数值，并在电脑屏幕上显示括瞬时值、峰峰值、平均值；当左眉梢左侧点的Z坐标值小于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的右旋数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；

6)、记录测量数据：

用户根据测量需要选择记录上述步骤5)中的显示的各个测量指标的瞬时值、峰峰值、平均值测量数据。